过程设备设计第四章(4.3.5)

t
25
过程设备设计
2. 碟形封头： a.开孔位于封头球面部分内： 取式（4-49）中的碟形封头形状系数M=1，

p c Ri 2[ ] 0 .5 p c
t
（4-101）
b.此范围之外：按碟形封头的厚度计算式（4-49）计算，

M pc Ri 2[ ] 0 .5 p c
t
⑶内侧高度h2: 按式（4-96）计算，取式中较小值
h2
d nt
（4-96）
19
h2=接管实际内伸高度
过程设备设计
2.所需最小补强面积 A a. 内压圆筒或球壳：
A d 2 et (1 f r )
d—开孔直径，
（4-91）
式中 A—开孔削弱所需要的补强面积，mm2；
●圆形孔：d=dit+2C
的计算厚度。
1. 椭圆形封头： a.开孔位于以椭圆形封头中心为中心80%封头内直径的范围内： 中心部位可视为当量半径Ri=K1Di的球壳，

pc K 1Di 2[ ] 0 .5 p c
t
（4-100）
b.在80%以外开孔: δ按椭圆形封头的厚度计算式（4-45）计算，

K pc Di 2[ ] 0 .5 p c
dit—接管内直径；
●椭圆形或长圆形孔: 取所考虑平面上的尺寸 （弦长，包括厚度附加量），mm； δ—壳体开孔处的计算厚度，mm； δet—接管有效厚度，δet =δnt-C，mm； fr—强度削弱系数，f r
管
t
壳
t
1 .0 ( 当 f r ＞1时 , 取 f r 1)
t t t
特点: 1)只考虑一次加载效应 p 2)补强后，可使不同接管都具有相同的 K t， K t＝ 2.25
i
pi 适用: 仅受 （蠕变除外）的整锻件补强
16
过程设备设计
3. 安定性分析法
原则: 以安定性作为设计准则，允许 m ax 2 s
达 t
限制条件： m ax
2 s＝ 2 1 .5[ ] ＝ 3[ ] 时 ，筒体不失效
一定有应力集中 开孔
但不一定所有开孔都需补强
焊接接头系数小于1但开孔位置不在焊缝上
1. 原因: 强度裕量 接管和壳体实际厚度大于强度需要的厚度 接管根部有填角焊缝 上述因素相当于对壳体进行了局部加强，降低了薄 膜应力从而也降低了开孔处的最大应力。因此，对 于满足一定条件的开孔接管，可以不予补强。
5
过程设备设计
②A2—接管的多余面积。
A 2 2 h 1 ( et t ) f r 2 h 2 ( et C 2 ) f r
③A3—有效补强区内焊缝金属的截面积。
（4-98）
④A4—有效补强区内另外再增加的补强元件的金属截面积。 4.判断：
若 Ae=A1+A2+A3≥A， 则开孔后不需要另行补强。 若 Ae=A1+A2+A3＜A， 则开孔需要另外补强 所增加的补强金属截面积A4应满足 A4≥A-Ae (4-99)
2. 壳体开孔满足下述全部要求时，可不另行补强: (GB150) ⑴ 设计压力≤2.5MPa ⑵ 两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算）大于 两孔直径之和的两倍 ⑶ 接管公称外径≤89mm ⑷ 接管最小厚度满足表4-15要求
表4-15 不另行补强的接管最小厚度
接管公 称外径 最小 厚度
25 32 38 45 48 575.0
6.0
6
二、允许开孔的范围 GB150对开孔最大直径的限制 a. 圆筒上开孔的限制： 内径Di≤1500mm时，开孔最大直径d≤ 内径Di＞1500mm时，开孔最大直径d≤ b. 凸形封头或球壳上开孔最大直径d≤
1 2
1 2 1 Di
过程设备设计
，且d≤520mm；
所以，不能完全解决应力集中问题（因含义在于补强 壳体的平均强度） 适用:补强圈/厚壁管补强。
15
过程设备设计
2. 极限分析补强 原则: 带补强结构接管与壳体塑性失效时, 极限压力＝无接管时壳体极限压力。
限制条件： m ax 1 .5 s＝1 .5 1 .5[ ] ＝ 2 .2 5[ ] 时 ， 筒体不失效
指采取适当增加壳体或接管厚度的方法将应 开孔补强设计： 力集中系数减小到某一允许数值。 弹性失效设计准则——等面积补强法 开孔补强设计准则 塑性失效准则— 极限分析法 弹塑性失效设计准则——安定性分析法
14
过程设备设计
1. 等面积补强 局部补强金属截面积≥壳体因开孔被削弱的金属截面积 原则： 原理: 以双向受拉伸的无限大平板上开有小孔时孔边的应力 集中作为理论基础的，即仅考虑壳体中存在的拉伸薄 膜应力，且以补强壳体的一次应力强度作为设计准则。 故对小直径的开孔安全可靠。
整锻件补强
综合考虑和选择
8
过程设备设计
1. 补强圈补强 结构： 补强圈贴焊在壳体与接管连接处，见（a）图。 1)加强圈材料与壳体材料相同 2) 加强圈厚度与加强圈厚度尽 量相同。 3)加强圈与筒体很好贴合 目的 与器壁同时受力， 起到加强作用。 4) 加强圈上开有小孔，孔内 图4-40 （a） 目的 设有M10管螺纹 检验焊缝质量(焊后通入压缩空气试漏）。 优点: 结构简单，易制造，造价低，经验成熟， 有一定补强效果
9
过程设备设计
缺点: 1)补强区域分散 补强效率不高 K t
传热效果差，易 2)加强圈与壳体间存在一层静止气体 引起温差应力。 3)焊缝面积大，易造成焊接缺陷。 4)搭接焊缝型式 抗疲劳性能差，不适合受高变载荷。

中低压容器应用最多的补强结构，一般使用在： 适用： 静载、常温、中低压、 材料的标准抗拉强度低于540MPa、 补强圈厚度小于或等于1.5δn、 壳体名义厚度δn不大38mm的场合。
第四章
压力容器设计
CHAPTER Ⅳ Design of Pressure Vessel
4.3 常规设计
4.3.5 开孔和开孔补强设计
1
4.3.5 开孔和开孔补强设计
过程设备设计
4.1 概述 4.2 设计准则 4.3 常规设计 4.4 分析设计 4.5 疲劳分析 4.6 压力容器设计技术进展
4.3.1 概述 4.3.2 圆筒设计 4.3.3 封头设计 4.3.4 密封装置设计 4.3.5 开孔和开孔补强设计 4.3.6 支座和检查孔 4.3.7 安全泄放装置 4.3.8 焊接结构设计 4.3.9 压力试验

22
23
过程设备设计
注意: ①上述计算适合于单个开孔。
②多个开孔补强: 参见GB150-1998《钢制压力容器》 第78页至第81页 并联开孔→进行联合补强计算 ③大开孔补强:孔周边会出现较大的局部应力，采用 分析设计标准中规定的方法和压力面积 法等方法进行分析计算。
24
过程设备设计
六、接管方位 开孔所需最小补强面积主要由dδ确定，当在内压椭圆形封头 或内压碟形封头上开孔时，则应区分不同的开孔位置取不同
平盖开孔直径d≤0.5Di：
A 0 .5 d
p
（4-93）
式中 δp—平盖计算厚度，mm。
21
3.补强范围内起补强作用的金属面积
①A1—壳体的多余面积。
过程设备设计
A 1 ( B d )( e ) 2 et ( e )( 1 f r ) （4-97）
t t t
特点: 补强后，可使不同接管都具有相同的 K t， K t＝ 3 适用: 低循环载荷作用的压力容器/整锻件
17
过程设备设计
五、等面积补强计算 (主要用于补强圈结构的补强计算) 原则： A补 A挖 1.有效补强范围：
WXYZ 图4-41
除此范围，则起 不到补强作用。
图4-41
2d d 2 n 2 nt
3
Di
Di
。
1 3 Di
c. 锥壳（或锥形封头）上开孔最大直径d≤ 中心处的锥壳内直径。
，Di为开孔
d. 在椭圆形或碟形封头过渡部分开孔时，其孔的中心线宜垂直 于封头表面。
7
过程设备设计
三、补强结构 补强圈补强 局部补强 补强结构 整体补强 强度 选择原则： 工艺要求 从 制造 施工是否方便等 厚壁接管补强
20
过程设备设计
b. 外压容器或平盖： 开孔造成的削弱是抗弯截面模量而不是指承载截面积。按照等
面积补强的基本出发点，由于开孔引起的抗弯截面模量的削弱
必须在有效补强范围内得到补强，所需补强的截面积仅为因开
孔而引起削弱截面积的一半。
外压圆筒或球壳：
A 0.5[ d 2 et (1 f r )] （4-92）

缺点:但必须保证全焊透焊接。
适用： 高强度低合金钢（缺口敏感性 较高）或某些高压容器。 图4-40 （b）
11
过程设备设计
3. 整锻件补强 结构： 将接管和部分壳体连同补强部分做成整体锻件，再与 壳体和接管焊接，见（c）图。
图4-40 （c） 整体锻件
12
过程设备设计
优点： 补强金属集中于开孔应力最大部位 1) 使
2
过程设备设计
允许不另行补强的最大开孔直径 允许开孔的范围 补强结构 主要内容
开孔补强设计原则
等面积补强计算 接管方位
3
过程设备设计
满足工艺要求 开孔目的 满足结构要求
削弱器壁的强度 开孔结果
结构连续性破坏
与接管焊接

孔边 局
焊接
及各种缺陷
4
过程设备设计
一、允许不另行补强的最大开孔直径
最有效
Kt
2) 采用对接焊缝，且焊缝及其热影响区离开最大 应力点，抗疲劳性能好。 3) 补强效果最好。 缺点： 锻件供应困难，制造成本较高。 重要压力容器，如核容器、材料屈服点在500MPa以 适用： 上的容器开孔及受低温、高温、疲劳载荷容器的大